基于STAR-CCM+的某輕型客車?yán)鋮s系統(tǒng)改進(jìn)

楊情操，鄒小俊，張湯赟，徐芙蓉，鄒亮

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 2111806）

基于STAR-CCM+的某輕型客車?yán)鋮s系統(tǒng)改進(jìn)

楊情操，鄒小俊，張湯赟，徐芙蓉，鄒亮

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 2111806）

針對客車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)對冷卻量敏感的問題，以CFD商用軟件STAR-CCM+為工具，對某輕型客車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在整車前面罩框進(jìn)氣格柵與散熱器之間存在較為明顯的回流現(xiàn)象，導(dǎo)致空氣循環(huán)加熱，降低了散熱器的散熱性能；并就此進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用優(yōu)化策略后，該輕型客車的冷卻系統(tǒng)使用限值超過42℃，并在道路上進(jìn)行了整車熱平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)，滿足了該輕型客車在熱區(qū)實(shí)際實(shí)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性。

輕型客車；STAR-CCM+；冷卻系統(tǒng)；CFD

Abstract:For the passenger car engine cooling system is sensitive to cooling,the automobile cooling system based on the commercial CFD software STAR-CCM+was simulated in this paper.The counter?flow appeared between the radiator grille and back frame in the vehicle front cover causing the air circu?lation heating,reducing the radiator,s performance.And the related optimization was designed.The use limit of the cooling system was increased to more than 42℃after optimization,and the whole vehicle thermal balance test was carried out on the road.The test result shows that the light bus with the new au?tomobile cooling system is practical in the hot zone based on the corresponding standard which verified the validity of the method.

Key words:light bus;STAR-CCM+;cooling system;CFD

隨著對汽車排放、動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等要求的持續(xù)提升，發(fā)動機(jī)及其附件的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜。布置在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部的零部件類別不斷增加、體積不斷加大，造成發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的使用空間愈來愈擁擠，對發(fā)動機(jī)艙散熱提出了更加苛刻的要求。

內(nèi)燃機(jī)冷卻的目的是防止零件過熱，以保證內(nèi)燃機(jī)在各種工況下受熱零部件溫度維持在正常范圍內(nèi)，并且各個(gè)摩擦副能夠保持正常的潤滑［1］。

采用傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)開發(fā)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)，存在周期長、驗(yàn)證困難等問題。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的廣泛使用，對從事汽車設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員而言，在空氣動力學(xué)的理論和方法的基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)工具CATIA和流體力學(xué)分析軟件STAR-CCM+［2-3］，分析汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的性能顯得更加快捷與高效。胡文成通過CFD對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場與溫度場進(jìn)行仿真分析，找到了發(fā)動機(jī)艙回流的原因，制定了改進(jìn)措施，并采用經(jīng)濟(jì)的工程方案驗(yàn)證其有效性［4］。A Skea在進(jìn)行CFD分析時(shí)考慮邊界條件過于仔細(xì)，耗費(fèi)了大量計(jì)算時(shí)間，因此用試驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊界條件對發(fā)動機(jī)艙進(jìn)行熱管理分析，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)不太現(xiàn)實(shí)［5］。Vivek Kumar綜合 Flow Network Modeling 和CFD方法的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)散熱系統(tǒng)冷卻風(fēng)扇指標(biāo)與汽車內(nèi)流場阻力參數(shù)的分析，對散熱系統(tǒng)采取了改進(jìn)措施［6］。文中對某輕型客車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行比較深入的研究，并在實(shí)踐中運(yùn)用，可節(jié)省開發(fā)周期，降低驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)。

1 冷卻系統(tǒng)模型建立

1.1 冷卻系統(tǒng)三維模型

對某輕型客車發(fā)動機(jī)艙進(jìn)行了三維建模，主要包含發(fā)動機(jī)、懸置、電器系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻模塊（散熱器、中冷器和冷凝器）、變速器、傳動系、燃油系等多個(gè)系統(tǒng)，空間中根據(jù)功能需要連接有較多的油管、氣管、水管和電線，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)三維剖面圖

對三維模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕釤?，可有效地保證計(jì)算工程的時(shí)效性：將發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的一些卡箍等簡單簡化，對影響內(nèi)流場的管路等保留，對于車身內(nèi)外表面、前面罩框進(jìn)氣格柵、散熱器、動力總成、風(fēng)扇、護(hù)風(fēng)罩、導(dǎo)風(fēng)罩、管路等保留。

1.2 計(jì)算域劃分

真實(shí)車輛在道路上行駛，計(jì)算域空間應(yīng)該為無限。從理論上分析，計(jì)算域的選取也應(yīng)為車輛外圍至無窮遠(yuǎn)處。但在實(shí)際計(jì)算時(shí)，為減少風(fēng)洞試驗(yàn)中的阻塞效應(yīng)，降低計(jì)算資源需求，一般需確定一個(gè)有限的空間范圍。文中建立了一個(gè)長方體計(jì)算域，計(jì)算域的取法為距離前面罩框至流場域入口距離為1倍車長，距離車尾為1倍車長，整體寬度為2.5倍車寬，整體高度為2.5倍車高，如圖2所示。

圖2 計(jì)算域空間尺寸

計(jì)算采用切割體網(wǎng)格，綜合計(jì)算精度和效率，體網(wǎng)格中最大單元尺寸為400mm，最小單元尺寸為2mm。與此同時(shí)，對流動復(fù)雜的機(jī)艙區(qū)域進(jìn)行了局部體網(wǎng)格加密，以便更加細(xì)致地模擬機(jī)艙內(nèi)的氣體流動和溫度分布情況。進(jìn)氣格柵的結(jié)構(gòu)影響冷卻空氣的流量，進(jìn)氣格柵的合理數(shù)值離散對計(jì)算結(jié)果也有重要的影響，因此對進(jìn)氣格柵的網(wǎng)格劃分采用最小單元尺寸進(jìn)行劃分，具體如圖3所示。

圖3 整車切割體網(wǎng)格示意圖

1.3 邊界條件設(shè)定

1.3.1 發(fā)動機(jī)艙分析的外部邊界條件

1）入口邊界 主要包括速度入口、壓力入口和質(zhì)量流量入口。速度入口需要給定進(jìn)口速度的標(biāo)量值，壓力入口需要給定進(jìn)口總壓，質(zhì)量入口用于可壓縮流，需要給定進(jìn)口的質(zhì)量流量。本課題設(shè)置為速度入口，為模擬高溫環(huán)境下狀態(tài)，設(shè)定入口條件為30 km·h-1、溫度42℃。

2）出口邊界 主要包括壓力遠(yuǎn)場和壓力出口，壓力遠(yuǎn)場用于可壓縮流。本課題設(shè)置為壓力出口。

3）其它邊界 本課題用到的壁面邊界包括滑移壁面和移動壁面等。

計(jì)算域的外部邊界如圖4所示。

圖4 計(jì)算域外部邊界

1.3.2 發(fā)動機(jī)艙分析的內(nèi)部邊界條件

將發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部的邊界條件歸結(jié)為內(nèi)部邊界，因換熱器流道細(xì)小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為節(jié)約資源，將中冷器、散熱器等簡化為多孔介質(zhì)模型，通過給定粘性阻抗和慣性阻抗來模擬氣流流動方向的壓力降［7］。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域的計(jì)算有多參考坐標(biāo)系法（MRF）和滑移網(wǎng)格法［8］，計(jì)算偏差均在2%以內(nèi)，從節(jié)省時(shí)間和資源考慮，一般進(jìn)氣工程采用MRF法。

1）多孔介質(zhì)模型 通過中冷器和散熱器的壓力速度曲線計(jì)算得到慣性阻力系數(shù)Pi和Pv值，將Pi和Pv值輸入模擬中冷器和散熱器的多孔介質(zhì)模塊來表征其阻力特性。中冷器的慣性阻力系數(shù)Pi為311.0kg·m-4，粘性阻力系數(shù)Pv為467.0kg·m-3·s；散熱器的慣性阻力系數(shù)Pi為311.0kg·m-4，粘性阻力系數(shù)Pv為467.0kg·m-3·s。

2）冷卻風(fēng)扇模型 選用MRF模型，包裹葉片搭建圓柱形風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域，以風(fēng)扇中心為圓心，風(fēng)扇的軸向?yàn)閆軸搭建局部坐標(biāo)，給旋轉(zhuǎn)區(qū)域一個(gè)沿Z軸的轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 400 r·min-1。設(shè)置壓力進(jìn)口及壓力出口條件，數(shù)值均為大氣壓力。

3）Baffle模型 導(dǎo)風(fēng)罩、護(hù)風(fēng)罩等建模選用了Baffle模型。

2 CFD分析及優(yōu)化

某輕型客車發(fā)動機(jī)艙改進(jìn)前CFD流場和溫度場分析結(jié)果如圖5所示。改進(jìn)前冷卻系統(tǒng)布置存在在散熱器邊緣等存在較多的紊流，進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙冷空氣未能冷卻散熱器中冷卻液，而從散熱器邊緣等處流失，造成冷卻空氣進(jìn)氣量不滿足要求，降低散熱器散熱性能的問題。

圖5 改進(jìn)前截面Z=0.4 m流動情況

根據(jù)發(fā)動機(jī)艙的流場和溫度場特性的仿真分析情況，需對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)各總成零部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)?；谧钌俪杀窘鉀Q最大問題的思路，對改進(jìn)方案進(jìn)行了分析，提出了增大冷卻風(fēng)扇直徑、加大散熱器芯部尺寸、改變散熱器流向結(jié)構(gòu)、增加導(dǎo)風(fēng)罩、優(yōu)化護(hù)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)、調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、加大水泵揚(yáng)程等十幾種組合優(yōu)化方案。從空間布置、成本考量、工程可行性等多方面權(quán)衡，選擇采用更換散熱器類型、增加導(dǎo)風(fēng)罩的優(yōu)化方案，起到的改善效果最為明顯，性價(jià)比較高，且對發(fā)動機(jī)艙流場和溫度場的分析影響較為明顯。

根據(jù)CFD仿真分析結(jié)果，對某輕型客車散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對達(dá)成的要求進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定：1）盡可能減少位于散熱器與保險(xiǎn)杠之間冷卻空氣的回流；2）確保冷卻液許用環(huán)境溫度（ATD）和機(jī)油許用環(huán)境溫度（ACO）達(dá)到42℃以上。為降低散熱器與保險(xiǎn)杠及整車前面罩框進(jìn)氣格柵之間的冷卻空氣回流，在散熱器四周增加導(dǎo)風(fēng)罩，并對導(dǎo)風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建更加合理的冷卻空氣流經(jīng)通道，排除發(fā)動機(jī)艙的熱空氣回流，降低了熱空氣被二次加熱風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)前（圖6a）無左右導(dǎo)風(fēng)罩，僅有下導(dǎo)風(fēng)罩，發(fā)動機(jī)艙的熱空氣比較容易回流造成二次加熱；改進(jìn)后（圖6b）增加左右側(cè)導(dǎo)風(fēng)罩，并對導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能將冷卻空氣較好地引導(dǎo)至散熱器和中冷器。對改進(jìn)后冷卻系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析，截面流動情況如圖7所示。整車發(fā)動機(jī)艙冷卻系統(tǒng)在散熱器邊緣等存在的紊流已經(jīng)減少很多，進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙冷空氣有效地冷卻散熱器中冷卻液，冷卻空氣進(jìn)氣量較為充足，提高了散熱器散熱性能，改進(jìn)了冷卻系統(tǒng)散熱性能。

圖6 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)前后對比圖

圖7 改進(jìn)后截面Z=0.4 m流動情況

3 熱平衡試驗(yàn)

為驗(yàn)證改進(jìn)后冷卻系統(tǒng)的冷卻液和機(jī)油是否滿足高溫地區(qū)使用，采用整車熱平衡方式驗(yàn)證，在整車道路試驗(yàn)中采用負(fù)荷拖車進(jìn)行試驗(yàn)，確保發(fā)動機(jī)最大扭矩及最大功率工況得以發(fā)出。

在發(fā)動機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速工況時(shí)，改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)出水溫度、機(jī)油溫度與環(huán)境溫度的平衡狀態(tài)見圖8 a。試驗(yàn)進(jìn)行至10min后，水溫趨于平衡；13min后油溫已趨于平衡。在發(fā)動機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速工況時(shí)，改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)出水溫度、機(jī)油溫度與環(huán)境溫度的平衡狀態(tài)見圖8 b。試驗(yàn)進(jìn)行至11min后，水溫和油溫已趨于平衡。

圖8 改進(jìn)后水溫和油溫平衡圖

改進(jìn)前后結(jié)果對比如表1所示。在最大功率及最大扭矩工況下，ATD分別提升了5.4℃和5.5℃，ACO分別提升了5.1℃和4.1℃，進(jìn)出水溫差分別提高了1.3℃和0.9℃，且改進(jìn)后在大功率及最大扭矩工況下ATD及ACO值均高于42℃，且發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫差處于4～8℃，滿足發(fā)動機(jī)冷卻需要。試驗(yàn)結(jié)果顯示：改進(jìn)后的導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)冷卻系統(tǒng)可以滿足該輕型客車在國內(nèi)高溫地區(qū)的需要。

表1 試驗(yàn)結(jié)果對比 ℃

4 結(jié)語

基于STAR-CCM+的CFD仿真改進(jìn)，對某輕型客車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場進(jìn)行分析，針對冷卻空氣的回流情況，采用優(yōu)化方案并增加左右導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，引導(dǎo)冷卻空氣流暢地通過散熱器。仿真及試驗(yàn)結(jié)果均顯示：導(dǎo)風(fēng)罩有效地阻隔了冷卻空氣的回流，發(fā)動機(jī)艙的溫度分布得到改進(jìn)，冷卻系統(tǒng)使用限值超過42℃，滿足了該輕型客車在熱區(qū)實(shí)際實(shí)用的要求。

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Cooling System Optimization of a Light Bus Based on STAR-CCM+

Yang Qingcao,Zou Xiaojun,Zhang Tangyun,Xu Furong,Zou Liang
（NAVECO Co.Ltd.,Nanjing 211806,China）

U464.138

A

1008-5483（2017）03-0009-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.03.003

2017-03-19

楊情操（1980-），男，湖北天門人，高級工程師，碩士，從事汽車?yán)鋮s系統(tǒng)方面的研究。E-mail：yqc99231@163.com